物理化学学报 >> 2024, Vol. 40 >> Issue (4): 2306003.doi: 10.3866/PKU.WHXB202306003
所属专题: 多物理场能源催化转化
卢卓然1, 李圣凯1,2, 逯宇轩1,3, 王双印1, 邹雨芹1,*(
)
收稿日期:2023-06-01
修回日期:2023-07-03
录用日期:2023-07-03
发布日期:2023-07-10
通讯作者:
Email: yuqin_zou@hnu.edu.cn (邹雨芹)
基金资助:
Lu Zhuoran1, Li Shengkai1,2, Lu Yuxuan1,3, Wang Shuangyin1, Zou Yuqin1,*(
)
Received:2023-06-01
Revised:2023-07-03
Accepted:2023-07-03
Published:2023-07-10
Contact:
Email: yuqin_zou@hnu.edu.cn (Yuqin Zou)
Supported by:摘要:
将当前能源生产和消费结构从过度依赖化石能源转变为高效利用可再生能源,是解决能源危机、实现碳中和的有效途径。生物质是最有前途的可再生能源之一,可以取代化石燃料以获得有价值的有机化合物。近年来,大力利用生物质能已成为一种必然趋势。用于生物质转化的传统热化学催化方法通常需要高温、高压等恶劣条件,甚至还需要外部氢或氧源。相比之下,在相对温和的条件下进行的生物质有机分子电催化转化为生产高价值化学品提供了一种绿色高效的策略。特别是,通过C―C键裂解将生物质衍生的分子转化为高价值的短链化学品至关重要。近年来,大量的研究证明过渡金属(TM)电催化剂由于其丰富的三维电子结构和独特的eg轨道增强了过渡金属-氧之间的共价键合,从而在有机物的C―C键断裂中起着至关重要的作用。此外,TM电催化剂的配位环境或电子结构会影响产物的选择性。毫无疑问,明确的反应活性位点和途径有助于深入理解催化剂结构与反应活性之间的构效关系。然而,TM电催化剂介导的生物质衍生有机分子的C―C键裂解反应用于生物质升级的研究目前尚处于起步阶段,其反应机理和催化反应过程尚不清楚。因此,有必要在原子水平上系统地了解电催化剂在C―C键裂解过程中的作用。在本综述中,我们首先依次介绍了广泛研究的TM电催化剂介导的生物质衍生有机分子(包括甘油、环己醇、木质素和糠醛)的C―C键裂解反应,并给出了一些典型的例子和相应的反应途径。然后,系统回顾了过渡金属化合物催化C―C键裂解的反应机理,揭示了界面行为,并构建了TM电催化剂的结构与裂解反应活性之间的构效关系。最后,我们简要总结了上述内容,并强调了在TM电催化剂上研究C―C键裂解的挑战和展望。我们期望这项工作可以为生物质的可控转化和合理设计C―C键裂解的TM电催化剂提供指导。
卢卓然, 李圣凯, 逯宇轩, 王双印, 邹雨芹. 在过渡金属催化剂上的C―C键断裂以实现生物质的升级[J]. 物理化学学报, 2024, 40(4), 2306003. doi: 10.3866/PKU.WHXB202306003
Lu Zhuoran, Li Shengkai, Lu Yuxuan, Wang Shuangyin, Zou Yuqin. Cleavage of C―C Bonds for Biomass Upgrading on Transition Metal Electrocatalysts[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2024, 40(4), 2306003. doi: 10.3866/PKU.WHXB202306003
表1
"
| Electrocatalyst | Reactant | Main product | Conversion/Production rate | Selectivity (%) | Electrolyte | Reference |
| Bi-modified Pt/C | Glyceral | DHA | 100 | 100 | 0.5 mol∙L−1 H2SO4 | |
| Bi-modified Pd-NP | Glyceral | Hydroxypyruvate | – | – | 0.5 mol∙L−1 H2SO4 | |
| AuPt | Glyceral | LA | – | 73.0 | 1 mol∙L−1 KOH | |
| Ni-Mo-N/CFC | Glyceral | Formate | – | 95.0 | 1 mol∙L−1 KOH | |
| Ni-phen | Glyceral | Formate | – | 92.7 | 2 mol∙L−1 KOH | |
| Co3O4 | C3-saturated alcohols | – | – | – | 1 mol∙L−1 KOH | |
| CuCo2O4 | Glyceral | Formic acid | 79.7 | 89.1 | 0.1 mol∙L−1 KOH | |
| MnO2/CP | Glyceral | Formic acid | – | – | 0.005 mol∙L−1 H2SO4 | |
| Ni(OH)2-SDS | Cyclohexanol | Adipic acid | – | – | 0.5 mol∙L−1 KOH | |
| Cu-Ni(OH)2 | Cyclohexanol | Adipic acid | 96.55 | 87 | 1 mol∙L−1 NaOH | |
| Fe-Mn/Mn2O3 | Cyclohexanol | Adipic acid | 94.5 | – | 0.5 mol∙L−1 NaOH | |
| Cu | Cyclohexanol | Adipic acid | – | – | 0.1 mol∙L−1 NaOH | |
| Pt1/N-CNTs | 2-phenoxy-1-phenylethanol | Benzaldehyde | 99 | 81.82 | TBHP, 70% aq.soln | |
| hp-Ni | Lignin | Vanillin and syringaldehyde | – | – | 1 mol∙L−1 KOH | |
| MnCoOOH/NF | 1-phenylethanol | Benzoate | – | – | 1 mol∙L−1 KOH | |
| CuS | Furfural | 5-Hydroxy-2(5H)-furanone (HFN) | 70.2 | 83.6 | [Et3NH]NO3 (1.8%, wt), Me-CN, and H2O (12.5%, wt) | |
| Pt | Furfural | Maleic acid (MA) | – | – | 0.25 mol∙L−1 HClO4 | |
| PbO2 | Furfural | Maleic acid (MA) | 99 | 65.76 | 0.05 mol∙L−1 H2SO4 |
| 1 |
doi: 10.1039/C6GC02620F |
| 2 |
doi: 10.1002/chem.201803319 |
| 3 |
doi: 10.1039/c8cy00533h |
| 4 |
doi: 10.1021/acssuschemeng.7b00868 |
| 5 |
doi: 10.1021/acscatal.5b00183 |
| 6 |
doi: 10.1021/acscatal.8b01317 |
| 7 |
doi: 10.1016/j.checat.2021.08.001 |
| 8 |
doi: 10.1038/s41467-019-12385-1 |
| 9 |
doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.01.044 |
| 10 |
doi: 10.1149/2.073308jes |
| 11 |
doi: 10.1016/j.ijhydene.2015.02.103 |
| 12 |
doi: 10.1016/j.electacta.2013.09.032 |
| 13 |
doi: 10.1002/elan.201100321 |
| 14 |
doi: 10.1016/j.elecom.2010.06.001 |
| 15 |
doi: 10.1021/cs200599g |
| 16 |
doi: 10.1021/ja200976j |
| 17 |
doi: 10.1016/j.apcatb.2009.10.008 |
| 18 |
doi: 10.1007/s10800-012-0423-3 |
| 19 |
doi: 10.1016/j.electacta.2012.08.031 |
| 20 |
doi: 10.1016/j.ijhydene.2012.03.019 |
| 21 |
doi: 10.1002/anie.202015431 |
| 22 |
doi: 10.1149/2.007304jes |
| 23 |
doi: 10.1016/j.colsurfa.2014.09.027 |
| 24 |
doi: 10.1016/j.ijhydene.2012.09.001 |
| 25 |
doi: 10.1016/j.electacta.2015.07.073 |
| 26 |
doi: 10.1016/j.jcat.2017.10.010 |
| 27 |
doi: 10.1021/jacs.0c10924 |
| 28 |
doi: 10.1021/acscatal.1c04163 |
| 29 |
doi: 10.1016/j.phmed.2022.100054 |
| 30 |
doi: 10.1038/s41467-019-13375-z |
| 31 |
doi: 10.1002/anie.202216083 |
| 32 |
doi: 10.1016/j.electacta.2017.01.086 |
| 33 |
doi: 10.1021/acscatal.0c01498 |
| 34 |
doi: 10.1002/anie.202107510 |
| 35 |
doi: 10.1016/j.copbio.2017.03.006 |
| 36 |
doi: 10.3389/fchem.2020.00185 |
| 37 |
doi: 10.1126/science.aaz1293 |
| 38 |
doi: 10.1039/d1gc00638j |
| 39 |
doi: 10.1126/science.aaz6459 |
| 40 |
doi: 10.1039/c3cy20728e |
| 41 |
doi: 10.1016/j.biotechadv.2018.10.012 |
| 42 |
doi: 10.1002/anie.202214977 |
| 43 |
doi: 10.1134/s1070427214040089 |
| 44 |
doi: 10.1039/d0gc02210a |
| 45 |
doi: 10.1007/s10008-016-3286-4 |
| 46 |
doi: 10.1038/s41467-022-32769-0 |
| 47 |
doi: 10.1007/s11172-009-0339-1 |
| 48 |
doi: 10.1016/j.catcom.2008.09.010 |
| 49 |
doi: 10.1016/j.ccr.2010.04.007 |
| 50 |
doi: 10.1002/anie.201102117 |
| 51 |
doi: 10.1126/science.aaf7810 |
| 52 |
doi: 10.1038/nature13867 |
| 53 |
doi: 10.1007/s40843-017-9169-4 |
| 54 |
doi: 10.1039/d0cs00134a |
| 55 |
doi: 10.1007/s12274-018-2013-0 |
| 56 |
doi: 10.1039/C5GC03043A |
| 57 |
doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00588 |
| 58 |
doi: 10.1021/acscentsci.7b00140 |
| 59 |
doi: 10.1002/anie.202014017 |
| 60 |
doi: 10.1002/anie.201712732 |
| 61 |
doi: 10.1021/acs.accounts.9b00512 |
| 62 |
doi: 10.1039/c4cs00235k |
| 63 |
doi: 10.1021/ja109016b |
| 64 |
doi: 10.1039/C2DT31065A |
| 65 |
doi: 10.1126/science.332.6035.1263-c |
| 66 |
doi: 10.1021/jacs.6b04144 |
| 67 |
doi: 10.1021/acscatal.7b01043 |
| 68 |
doi: 10.1021/acscatal.6b02212 |
| 69 |
doi: 10.1002/anie.201409408 |
| 70 |
doi: 10.1002/adsc.201400463 |
| 71 |
doi: 10.1039/c4gc01012d |
| 72 |
doi: 10.1002/anie.201107020 |
| 73 |
doi: 10.1021/jo1012509 |
| 74 |
doi: 10.1021/jo401680z |
| 75 |
doi: 10.1021/acs.accounts.5b00104 |
| 76 |
doi: 10.1021/jz201201q |
| 77 |
doi: 10.1021/jz201182w |
| 78 |
doi: 10.1039/c2gc36456e |
| 79 |
doi: 10.1021/jacs.1c02328 |
| 80 |
doi: 10.1021/acs.energyfuels.0c02284 |
| 81 |
doi: 10.1002/cssc.201100648 |
| 82 |
doi: 10.1039/C5EE02666K |
| 83 |
doi: 10.1021/acssuschemeng.5b00473 |
| 84 |
doi: 10.1021/acssuschemeng.9b05126 |
| 85 |
doi: 10.1039/C6GC03020C |
| 86 |
doi: 10.1039/c9sc00322c |
| 87 |
doi: 10.1186/s40508-015-0034-5/ |
| 88 |
doi: 10.1021/cr00083a003 |
| 89 |
doi: 10.1002/cssc.201701866 |
| 90 |
doi: 10.1016/0009-2509[74]80071-0 |
| 91 |
doi: 10.1039/C4GC00829D |
| 92 |
doi: 10.1021/jp2054712 |
| 93 |
doi: 10.1016/j.catcom.2010.12.033 |
| 94 |
doi: 10.1016/j.cattod.2015.11.036 |
| 95 |
doi: 10.1021/acscatal.9b02656 |
| 96 |
doi: 10.1021/acssuschemeng.8b02698 |
| [1] | 吕宪伟, 丁信元, 龚家兴, 闫旭焕, 黄大勇, 耿建新, 袁忠勇. 轨道杂化在光催化与电催化中的研究进展[J]. 物理化学学报, 2026, 42(2): 100151 - . |
| [2] | 邱江源, 于涛, 陈均鑫, 李文轩, 张晓萱, 李金生, 郭瑞, 黄在银, 刘宣文. FeOOH调节Bi12O17Cl2@FeOOH异质结中Bi12O17Cl2的表面势阱深度以增强压电电荷转移和压电自芬顿催化[J]. 物理化学学报, 2026, 42(1): 100157 - . |
| [3] | 段睿智, 王小梅, 周潘旺, 刘扬, 李灿. 羟基物种在过渡金属表面碱性析氢反应中的作用[J]. 物理化学学报, 2025, 41(9): 100111 - . |
| [4] | DristySumiya Akter, HabibMd Ahasan, LinShusen, JoniMehedi Hasan, MandavkarRutuja, ChungYoung-Uk, NajibullahMd, LeeJihoon. 利用Zn掺杂制备高效稳定工业级电解水的NiBP微球催化剂研究[J]. 物理化学学报, 2025, 41(7): 100079 - . |
| [5] | 曹雪婷, 察爽爽, 龚鸣. 电催化反应中的界面双电层:理论、表征与应用[J]. 物理化学学报, 2025, 41(5): 100041 - . |
| [6] | 李坚, 张毓, 闫融融, 孙开媛, 刘晓晴, 梁子尚, 焦忆楠, 卜晖, 陈欣, 赵晋津, 施剑林. 高效靶向示踪钙钛矿纳米系统光电增效抗肿瘤[J]. 物理化学学报, 2025, 41(5): 100042 - . |
| [7] | 陈润华, 吴琼, 罗婧宸, 祖小龙, 朱姗, 孙永福. 缺陷态二维超薄材料用于光/电催化CO2还原的基础与展望[J]. 物理化学学报, 2025, 41(3): 100019 - . |
| [8] | 董雪, 孙晓甫, 贾帅强, 韩世涛, 周达伟, 姚婷, 王敏, 方明慧, 吴海虹, 韩布兴. 碳修饰的铜催化剂实现安培级电流电化学还原CO2制C2+产物[J]. 物理化学学报, 2025, 41(3): 100024 - . |
| [9] | 王琪, 刘宇庆, 王洁菲, 马媛媛, 都京, 韩占刚. 电催化氯代芳香烃脱氯催化剂的合成策略、应用与挑战[J]. 物理化学学报, 2025, 41(10): 100120 - . |
| [10] | 李清, 张光勋, 徐玉霞, 孙洋洋, 庞欢. 磷化调控构筑分层结构的Ni2P催化剂用于高效电氧化尿素[J]. 物理化学学报, 2024, 40(9): 2308045 - . |
| [11] | 李美然, 宋英杰, 万鑫, 李洋, 罗毅奇, 贺业亨, 夏博文, 周华, 邵明飞. 镍钒水滑石电极用于可放大电催化5-羟甲基糠醛氧化耦合产氢[J]. 物理化学学报, 2024, 40(9): 2306007 - . |
| [12] | 孔燕, 危伟, 徐乐凯, 陈晨. 电催化氮集成二氧化碳还原反应合成有机氮化合物[J]. 物理化学学报, 2024, 40(8): 2307049 - . |
| [13] | 许文涛, 莫栩妍, 周洋, 翁祖贤, 莫坤玲, 吴炎桦, 蒋欣霖, 李丹, 蓝汤淇, 文欢, 郑伏琴, 樊友军, 陈卫. 双金属浸出诱导催化剂重构用于高活性和高稳定性电化学水氧化[J]. 物理化学学报, 2024, 40(8): 2308003 - . |
| [14] | 赵路甜, 郭杨格, 罗柳轩, 闫晓晖, 沈水云, 章俊良. 金属纳米晶体电催化剂的电化学合成:原理、应用与挑战[J]. 物理化学学报, 2024, 40(7): 2306029 - . |
| [15] | 王烨, 葛瑞翔, 刘翔, 李敬, 段昊泓. 一种阴离子浸出策略合成金属羟基氧化物用于电催化甘油氧化[J]. 物理化学学报, 2024, 40(7): 2307019 - . |
|
||